В видеоигре Minecraft все, включая животных и персонажей, состоит из небольших трехмерных блоков, называемых вокселами. Материаловеды из Школы инженерии и прикладных наук Университета Вирджинии разработали вокселированный подход, похожий на Minecraft, который использует капли в качестве основных строительных блоков для создания сложных структур, сравнимых с человеческими тканями и органами.

Команду возглавляет Лихэн Цай, доцент кафедры материаловедения и инженерии, химической инженерии и биомедицинской инженерии. Цзиньчан Чжу, доктор философии. студент Лаборатории мягкой биоматерии Цая разрабатывает свою технику биопечати, цифровую сборку сферических частиц биочернил (DASP).

«В принципе, DASP позволяет нам точно определять местоположение, состав и свойства отдельных капель и собирать их в трехмерные конструкции, которые соответствуют искусству биологических тканей», — сказал Чжу.

Используя специализированный 3D-принтер, команда выдавливает и помещает капли биочернил в поддерживающую матрицу , жидкую ванну, которая поддерживает и удерживает капли в трехмерном пространстве. Капли набухают, вступают в контакт с соседними каплями, а затем затвердевают, образуя трехмерную решетчатую структуру. С комбинациями капель, изготовленных из различных материалов или инкапсулированных с различными компонентами, DASP демонстрирует большое количество возможностей для проектирования и создания функциональных тканевых конструкций.

Чжу был первым автором оригинальной статьи команды, опубликованной в октябре 2021 года в Advanced Functional Materials, где Кай и его сотрудники доказали концепцию вокселированной биопечати.

«Работа, которую мы опубликовали в прошлом году, стала первым шагом к 3D-печати ткани со сложностью и организацией, необходимыми для биомедицинской инженерии, скрининга лекарств и моделирования заболеваний», — сказал Цай.

Чжу и Цай были приглашены поделиться своим последним исследованием «Водная печать вязкоупругих капель в жидкостях с пределом текучести» в специальном выпуске Acta Biomaterialia за сентябрь 2022 года.

В этой последней статье они объясняют механизм манипулирования вязкоупругой каплей в так называемой поддерживающей матрице предела текучести: поддерживающая матрица ведет себя как куча песка, которая похожа на твердое тело, когда ее не трогают, но течет, как жидкость под напряжением.

Одной из уникальных особенностей всего этого процесса печати является то, что и капли биочернил, и поддерживающая матрица являются водными; практически отсутствует напряжение на границах между каплями и окружающей средой. Био-чернила очень вязкие, как мед, но эластичны при быстрой деформации.

Чжу и Цай отслеживают динамику всего процесса биопечати в режиме реального времени и выделяют три вовлеченных этапа: образование капель, отделение и расслабление. Когда капля выдавливается, сопло перемещается горизонтально с большим ускорением, чтобы отделиться от капли, оставляя каплю внутри поддерживающей матрицы.

«Аналогичным случаем является классический трюк с вытягиванием скатерти, когда скатерть резко отрывается, оставляя тарелки на столе из-за силы инерции, — сказал Чжу. — Но в нашей технике капля отрывается от сопла в основном за счет к удерживающей силе от поддерживающей матрицы».

Команда также определила параметры, которые в значительной степени влияют на разрешение печати, включая диаметр капель, диаметр сопла и ускорение сопла. Их эксперименты показывают, что печать капель с хорошей точностью требует относительно большого отношения диаметра капли к диаметру сопла и подходящего ускорения сопла до десяти метров в секунду.

«Точное манипулирование вязкоупругими вокселями представляет собой как фундаментальную, так и технологическую проблему в науке о мягких веществах и 3D-биопечати», — сказал Цай. «Мы только в начале пути к созданию фундаментальной науки для вокселированной биопечати. ​​И мы надеемся, что однажды мы сможем полностью перевести подход Minecraft к 3D-биопечати, чтобы мы могли создавать высокофункциональные 3D-имитаторы тканей для базовых и прикладных биомедицинских препаратов».